Παρατηρησιακή Αστρονομία

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΧΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Παρατηρησιακή Αστρονομία Ενότητα 8: Φωτομετρία με ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές Ιωάννης Χ. Σειραδάκης Τμήμα Φυσικής

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Παρατηρησιακή Αστρονομία Τμήμα Φυσικής 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Παρατηρησιακή Αστρονομία Τμήμα Φυσικής 3

4 ΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ με ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές CCD κάμερα σε φορητό τηλεσκόπιο του Εργαστηρίου Αστρονομίας του ΑΠΘ Γιάννης Σειραδάκης Τμήμα Φυσικής, ΑΠΘ

5 Πλακίδια συσκευών συζευγμένου φορτίου Charged Coupled Devices - CCD: Ένα τυπικό πλακίδιο CCD. Πηγή: _D70S_CCD_sensor.jpg Ένα τυπικό πλακίδιο CCD Διάταξη χρωμάτων στις φωτοευαίσθητες ψηφίδες. Πηγή: er_matrix.svg Διάταξη χρωμάτων στις φωτοευαίσθητες ψηφίδες

6 Πλακίδια CCD σε διαστημικές αποστολές Τα 4 CCD του CoRoT Τα 4 CCD του CoRoT Ψηφίδες: μm arcsec ψηφίδες Τα 42 CCD του Kepler. Πηγή: File:Kepler_CCD_matrix.jpg» Τα 42 CCD του Kepler Ψηφίδες: μm arcsec ψηφίδες

7 Βασική λειτουργία των φωτοευαίσθητων πλακιδίων Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Τα φωτόνια των αστέρων δημιουργούν φωτοηλεκτρόνια (φορτίο) σε κάθε pixel του πλακιδίου Συσσώρευση φωτοηλεκτρονίων κατά τη διάρκεια της έκθεσης Μετά το πέρας της έκθεσης (κλείσιμο του διαφράγματος) μετατροπή του φορτίου κάθε pixel σε διαφορά τάσης (volt) Μετατροπή των volt σε ψηφιακή συχνότητα (Analog to- Digital Converter ADC ) Η συχνότητα μετριέται σε αριθμούς, ADU (Analog-to- Digital Units), οι οποίοι αποθηκεύονται

8 Βασική λειτουργία των φωτοευαίσθητων πλακιδίων Ανάγνωση και καταγραφή δεδομένων.

9 Βασική λειτουργία των φωτοευαίσθητων πλακιδίων Ανάγνωση και καταγραφή δεδομένων.

10 Ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, CCD (κάμερες CCD) Είναι κανονικές φωτογραφικές μηχανές που αντί για φιλμ έχουν (συνήθως) ένα πλακίδιο CCD Ενίοτε έχουν δύο πλακίδια (πλακίδιο οδήγησης ή για ταχύτερη αποθήκευση των δεδομένων) Έχουν φακό, διάφραγμα και γενικά διαθέτουν όλες τις λειτουργίες μιας κοινής φωτογραφικής μηχανής Συνδέονται με ηλεκτρονικό υπολογιστή

11 Γλωσσάρι για κάμερες CCD 1. Θόρυβος (θερμικός ψύξη της κάμερας) 2. Διαστάσεις των pixel (pixel size) Διαστάσεις των pixel (pixel size).

12 Γλωσσάρι για κάμερες CCD 3. Αποθηκευτική χωρητικότητα (well capacity) Πόσα ηλεκτρόνια μπορεί να αποθηκεύσει ένα pixel (της τάξης των 10 5 ) 4. Κβαντική απόδοση Διάγραμμα της κβαντικής απόδοσης ανά μήκος κύματος ακτινοβολίας. 5. Εύρος φασματικής ευαισθησίας (band pass)

13 Γλωσσάρι για κάμερες CCD 6. Κορεσμός (saturation) 7. Γραμμικότητα Τεστ γραμμικότητας για την CCD κάμερα Atik 314L+.

14 Γλωσσάρι για κάμερες CCD 8. Χρόνος ανάγνωσης (download time) Εξαρτάται από το μέγεθος του πλακιδίου, την απολαβή και την ομαδοποίηση 9. Απολαβή (gain) Πόσα ηλεκτρόνια μας δίνουν 1 ADU

15 Γλωσσάρι για κάμερες CCD 10. Ομαδοποίηση των pixel (binning) Ομαδοποίηση των pixel (binning) 11. Θόρυβος ανάγνωσης (readout noise) Ανεπιθύμητα ηλεκτρόνια (από τα ηλεκτρικά κυκλώματα) κατά την ανάγνωση

16 Γλωσσάρι για κάμερες CCD 12. Επίπεδο θορύβου μηδενικής έκθεσης (bias level) ADU που αντιστοιχεί στο φορτίο των μη εκτεθειμένων ( άδειων ) pixel 13. Ρεύμα σκότους (dark current) Ρεύμα που οφείλεται στη φυσική θερμοκρασία της κάμερας 14. Φωτομετρική διόρθωση (flat fielding) Διαδικασία διόρθωσης πιθανής ανομοιογενούς κβαντικής απόδοσης των pixel

17 Γλωσσάρι για κάμερες CCD 15. Εκθέσεις βαθμονόμησης (calibration frames) Πρόσθετες φωτογραφίες για διόρθωση των δεδομένων (τις φωτογραφίες των αστρικών πεδίων) 15 α. Εκθέσεις θορύβου μηδενικής έκθεσης (bias frames) Εκθέσεις (φωτογραφίες) μηδενικής έκθεσης (με κλειστό διάφραγμα) για εύρεση των φορτίων των άδειων pixel

18 Γλωσσάρι για κάμερες CCD 15 β. Εκθέσεις ρεύματος σκότους (dark frames) Εκθέσεις (φωτογραφίες) κανονικής έκθεσης με κλειστό θόλο και καλυμμένο τηλεσκόπιο για εύρεση των φορτίων των ανεπιθύμητων θερμικών ηλεκτρονίων 15 γ. Εκθέσεις φωτομετρικής διόρθωσης (flat frames) Εκθέσεις (φωτογραφίες) κανονικής έκθεσης σε ισοφωτισμένη επιφάνεια για εύρεση ανομοιογενειών (π.χ. λόγω της κβαντικής απόδοσης των pixel ή σκόνης στο φακό)

19 Γλωσσάρι για κάμερες CCD Η μέση τιμή των εκθέσεων θορύβου μηδενικής έκθεσης (bias frames) αφαιρείται τόσο από τη μέση τιμή των εκθέσεων φωτομετρικής διόρθωσης (flat frames) όσο και από την κάθε έκθεση του αστρικού πεδίου. Στη συνέχεια, από την κάθε έκθεση του αστρικού πεδίου αφαιρείται η μέση έκθεση ρεύματος σκότους (dark frames) και διαιρείται με τη μέση τιμή των εκθέσεων φωτομετρικής διόρθωσης (flat frames).

20 Παραδείγματα διορθώσεων Ανεπεξέργαστη έκθεση αστρικού πεδίου

21 Παραδείγματα διορθώσεων Έκθεση ρεύματος σκότους

22 Παραδείγματα διορθώσεων Αφαίρεση της έκθεσης ρεύματος σκότους από την ανεπεξέργαστη έκθεση αστρικού πεδίου.

23 Παραδείγματα διορθώσεων Ανεπεξέργαστη έκθεση αστρικού πεδίου Έκθεση ρεύματος σκότους Αφαίρεση της έκθεσης ρεύματος σκότους από την ανεπεξέργαστη έκθεση αστρικού πεδίου

24 Παραδείγματα διορθώσεων Το αποτέλεσμα της αφαίρεσης της έκθεσης ρεύματος σκότους από την ανεπεξέργαστη έκθεση αστρικού πεδίου Έκθεση φωτομετρικής διόρθωσης (flat field) Τελικό αποτέλεσμα Ανεπεξέργαστη έκθεση αστρικού πεδίου Έκθεση ρεύματος σκότους / Έκθεση φωτομετρικής διόρθωσης

25 Παραδείγματα διορθώσεων Ανεπεξέργαστη έκθεση Τελικό αποτέλεσμα

26 Παραδείγματα διορθώσεων Παράδειγμα φωτομετρικής έκθεσης. Παράδειγμα φωτομετρικής έκθεσης. Τυχαία παραδείγματα φωτομετρικών εκθέσεων

27 Ανάλυση δεδομένων Το λογισμικό IRAF IRAF (Image reduction and Analysis Facility) Άλλα προγράμματα επεξεργασίας δεδομένων: STARLINK MIDAS DAOPHOT Λειτουργικό σύστημα LINUX

28 Λειτουργικό σύστημα LINUX Linux terminal Λειτουργικό σύστημα LINUX

29 Είσοδος στις εφαρμογές IRAF και DS9 IRAF terminal DS9 Είσοδος στις εφαρμογές IRAF και DS9

30 Εμφάνιση των δεδομένων μας στο DS9 Raw Image Dark Frame Bias Frame Flat Frame Εμφάνιση των εικόνων στην εφαρμογή DS9

31 Πριν και μετά την ανάλυση Πριν την ανάλυση Μετά την ανάλυση Οι εικόνες πριν και μετά την ανάλυση.

32 Προσαρμογή μιας Γκαουσιανής σε ένα αστέρι Η Γκαουσιανή FWHM Προσαρμογή μιας Γκαουσιανής σε ένα αστέρι.

33 Προσαρμογή μιας Gaussian σε ένα αστέρι Δακτύλιος του ουρανού Δακτύλιος του αστέρα Προσαρμογή μιας Γκαουσιανής σε ένα αστέρι.

34 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Διαφάνεια Πνευματικά δικαιώματα Διαφ.1 - Διαφ.2 - Διαφ.3 - Διαφ.4 «CCD κάμερα σε φορητό τηλεσκόπιο του Εργαστηρίου Αστρονομίας του ΑΠΘ» Διαφ.5 Αριστερά: «Ένα τυπικό πλακίδιο CCD. Πηγή: Δεξιά: «Διάταξη χρωμάτων στις φωτοευαίσθητες ψηφίδες. Πηγή: Διαφ.6 Αριστερά: «Τα 4 CCD του CoRoT. Πηγή: Δημ. Μισλής Δεξιά: «Τα 42 CCD του Kepler. Πηγή: Διαφ.7 Διαφ.8 «Ανάγνωση και καταγραφή δεδομένων.» Φωτογραφία επεξεργασμένη από τον κ.σειραδάκη Διαφ.9 «Ανάγνωση και καταγραφή δεδομένων.». Φωτογραφία επεξεργασμένη από τον κ.σειραδάκη Διαφ.10 Διαφ.11 «Διαστάσεις των pixel (pixel size).» Φωτογραφία επεξεργασμένη από τον κ.σειραδάκη Διαφ.12 «Διάγραμμα της κβαντικής απόδοσης ανά μήκος κύματος ακτινοβολίας.» Φωτογραφία επεξεργασμένη από τον κ.σειραδάκη Διαφ.13 «Τεστ γραμμικότητας για την CCD κάμερα Atik 314L+.» Φωτογραφία επεξεργασμένη από τον κ.σειραδάκη Διαφ.14 Διαφ.15 «Ομαδοποίηση των pixel (binning).» Φωτογραφία επεξεργασμένη από τον κ.σειραδάκη Διαφ.16 Διαφ.17 Διαφ.18 Διαφ.19 Διαφ.20 «Ανεπεξέργαστη έκθεση αστρικού πεδίου». Από software Διαφ.21 «Έκθεση ρεύματος σκότους». Από software Διαφ.22 «Αφαίρεση της έκθεσης ρεύματος σκότους από την ανεπεξέργαστη έκθεση αστρικού πεδίου». Από software Διαφ.23 Επάνω αριστερά: «Ανεπεξέργαστη έκθεση αστρικού πεδίου». Από software Επάνω δεξιά: «Έκθεση ρεύματος σκότους». Από software Κάτω: «Αφαίρεση της έκθεσης ρεύματος σκότους από την ανεπεξέργαστη έκθεση αστρικού πεδίου». Από software Παρατηρησιακή Αστρονομία Τμήμα Φυσικής

35 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Διαφ.24 Διαφ.25 Διαφ.26 Διαφ.27 Διαφ.28 Διαφ.29 Διαφ.30 Διαφ.31 Διαφ.32 Διαφ.33 Επάνω αριστερά: «Το αποτέλεσμα της αφαίρεσης της έκθεση ρεύματος σκότους από την ανεπεξέργαστη έκθεση αστρικού πεδίου». Από software δε χρειάζεται άδεια Επάνω δεξιά: «Έκθεση φωτομετρικής διόρθωσης (flat field)». Από software Κάτω: «Τελικό αποτέλεσμα». Από software Επάνω αριστερά: «Ανεπεξέργαστη έκθεση». Από software Κάτω δεξιά: «Τελικό αποτέλεσμα». Από software Αριστερά: «Παράδειγμα φωτομετρικής έκθεσης.» Δεξιά: «Παράδειγμα φωτομετρικής έκθεσης.» «Λειτουργικό σύστημα LINUX». Από software «Είσοδος στις εφαρμογές IRAF και DS9». Από software «Εμφάνιση των εικόνων στο DS9». Από software «Οι εικόνες πριν και μετά την ανάλυση». Από software «Προσαρμογή μιας Γκαουσιανής σε ένα αστέρι». Από software «Προσαρμογή μιας Γκαουσιανής σε ένα αστέρι». Από software Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Παρατηρησιακή Αστρονομία Τμήμα Φυσικής

36 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΧΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Τέλος Ενότητας Επεξεργασία: Αναστασίου Μαγδαληνή Θεσσαλονίκη, 15/07/2015